JPH08337200A - Solar search method of triaxial stabilizing satellite and triaxial stabilizing satellite - Google Patents
Solar search method of triaxial stabilizing satellite and triaxial stabilizing satelliteInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、三軸安定化衛星
の太陽探索方法、およびこの三軸安定化衛星に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sun search method for a three-axis stabilizing satellite, and this three-axis stabilizing satellite.
【0002】[0002]
【従来の技術】WO 93/04923 A1号明細書により、三軸安
定化衛星の姿勢制御時に使用する測定装置、および太陽
センサの視界領域に太陽が未だ存在しない衛星の任意の
初期姿勢から太陽を捕捉する方法が知られている。この
測定装置には、衛星に固定された座標系に関して太陽方
向を検出する太陽センサと、単軸で測定される回転速度
ジャイロがある。太陽センサの視界あるいは測定範囲
は、座標系の予め選択された面内で全体で 2πの全角を
覆うべきであり、前記面に垂直に二つの方向にそれぞれ
制限された角度領域<π/2のみを覆う。この場合、回転
速度ジャイロの測定軸の許るされる方向は制限を受け、
この制限は予め選択された面に垂直な太陽センサの視界
の幅に依存する。そこに述べてある、予め選択された面
内とこの面に垂直に太陽センサの視界を規定する角度α
1 ないしはα2 および回転速度ジャイロの測定軸と予め
選択された面との間で成す角度βの許容範囲に対する条
件は、以下のように定義されている。つまり、 0 ≦α1 ≦ 2π (1a) −α2max≦α2 ≦α2max (1b) |β|≧ (π/2) −α2max (1c) 太陽センサ装置の視界により完全に捕捉される予め選択
された面としては、衛星に固定された座標系のXZ面が
好ましく、規定通りに指向している地球静止衛星の場
合、大体X軸が軌道方向のロール軸を示し、Z軸が地球
の重心を向くヨー軸を向き、Y軸が両方の他の軸に垂直
なピッチ軸となる。2. Description of the Related Art According to the specification of WO 93/04923 A1, the measuring device used for attitude control of a three-axis stabilizing satellite, and the sun from any initial attitude of the satellite where the sun is not yet present in the field of view of the sun sensor Methods of capturing are known. This measuring device includes a sun sensor that detects the sun direction with respect to a coordinate system fixed to the satellite, and a rotation speed gyro that is measured on a single axis. The field of view or measurement range of the sun sensor should cover a total of 2π total angles within a preselected plane of the coordinate system, and only within a limited angular range <π / 2 in each of two directions perpendicular to said plane. Cover. In this case, the allowable direction of the measuring axis of the rotation speed gyro is restricted,
This limit depends on the width of the field of view of the sun sensor perpendicular to the preselected plane. The angle α which defines the field of view of the sun sensor in the preselected plane and perpendicular to this plane, mentioned there.
The conditions for the allowable range of 1 or α 2 and the angle β formed between the measuring axis of the rotational speed gyro and the preselected surface are defined as follows. That is, 0 ≤ α 1 ≤ 2π (1a) -α 2max ≤α 2 ≤α 2max (1b) │β│ ≥ (π / 2) -α 2max (1c) Preliminarily captured by the field of view of the solar sensor device The selected plane is preferably the XZ plane of the coordinate system fixed to the satellite. In the case of a geostationary satellite that is orientated as specified, the X axis indicates the roll axis in the orbit direction, and the Z axis indicates the earth's roll axis. With the yaw axis facing the center of gravity, the Y axis is the pitch axis perpendicular to both other axes.
【0003】しかし、他の作戦行動による必要条件によ
り、回転速度ジャイロの測定軸の設定に関して上に述べ
た条件を満たすことができないことが生じる。これは、
例えば要請、 βmax ≦ (π/2) −α2max (2) に対して当てはまる。更に、太陽センサ装置の視界が予
め選択された面内で 2πの全角を有すべきであるとの上
記要請は、必ずしも許されず、経費の点から最適になら
ない制限となる。何故なら、 2πの全角度範囲を覆うた
め、それに応じた数の太陽センサを使用しなければなら
いからである。更に、一つまたはそれ以上の太陽センサ
が故障した時、視界に隙間が生じ、この隙間が用意して
いる測定と評価方法、および特に太陽を捕捉するために
用意している方法も実行不可能にする。同じことは、周
囲の視界が突出しているアンテナあるいは衛星に装着さ
れている他の装置により制限される場合にも当てはま
る。However, due to other operational requirements, it may not be possible to satisfy the above-mentioned conditions regarding the setting of the measuring axis of the rotation speed gyro. this is,
For example, the requirement applies for β max ≤ (π / 2) − α 2max (2). Furthermore, the above requirement that the field of view of the sun sensor device should have a full angle of 2π in a preselected plane is not always permitted and is a non-optimal limitation from a cost standpoint. This is because it is necessary to use a corresponding number of sun sensors to cover the entire 2π angular range. Furthermore, when one or more sun sensors fail, there is a gap in the field of view, which makes the measurement and evaluation methods provided, and especially the method provided for capturing the sun, also infeasible. To The same applies if the surrounding field of view is limited by a protruding antenna or other device mounted on the satellite.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、太
陽センサの視界および回転速度ジャイロの測定軸の設定
に関して上に規定した制限を守ることできない場合でも
機能し、太陽センサ装置の視界が予め選択された面内で
隙間を有し、前記測定軸が視界に関して任意に方位にさ
れる場合でも、利用できる三軸安定化衛星に対する冒頭
に述べた種類の太陽探査方法を提供することにある。更
に、この発明の課題は、装置上の構成により、太陽を探
索するこの発明による方法を成功裡に行える三軸安定化
衛星を提示することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to work even if the limits defined above with regard to the field of view of the sun sensor and the setting of the measuring axis of the rotational speed gyro cannot be observed, and the field of view of the sun sensor device is preset. It is an object of the present invention to provide a solar probing method of the kind mentioned at the outset for a triaxial stabilizing satellite which can be used even if it has a gap in the selected plane and the measuring axis is arbitrarily oriented with respect to the field of view. It is a further object of the invention to present a three-axis stabilized satellite which, due to the device configuration, can successfully carry out the method of the invention for searching the sun.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、視界が衛星に固定されている直交3軸座標系の
予め選択された面の一つの部分区間または隙間で互いに
分離されている複数の部分区間および前記面に垂直な或
る範囲を覆う太陽センサ装置と、任意な向きの測定軸を
有し、単軸で測定する回転速度ジャイロと、3つの座標
軸全ての周りに回転モーメントを発生するためフライホ
ィール装置ではない回転モーメント発生装置と、制御モ
ーメント発生するため回転速度ジャイロの測定信号に基
づき回転モーメント発生装置の制御信号を出力する制御
装置とを備え、以下の形の制御則、τ=−kGG T ωを
使用し、ここでτが制御モーメント、kが増幅係数、G
が|G|=1の測定軸の方向ベクトル、G T がGに対す
る転置ベクトル、ωが衛星の回転速度ベクトルである、
三軸安定化衛星の太陽探索方法にあって、付加的に使用
すべきフィライホィール装置により測定軸の方向に平行
でない回転モーメント(回転モーメントベクトルH)を
発生させることによって解決されている。According to the invention, the above objects are separated from one another by a partial section or gap of a preselected plane of an orthogonal three-axis coordinate system whose field of view is fixed to the satellite. A sun sensor device that covers a plurality of sub-sections and a range perpendicular to the plane, a rotation axis gyro that has a measurement axis with an arbitrary orientation, and measures a single axis, and a rotation moment around all three coordinate axes. A rotation moment generator that is not a flywheel device to generate, and a control device that outputs a control signal of the rotation moment generator based on a measurement signal of a rotation speed gyro to generate a control moment, and a control law of the following form, τ = −k GGT T ω , where τ is the control moment, k is the amplification factor, and G
Is the direction vector of the measurement axis of | G | = 1, G T is the transposed vector with respect to G , and ω is the rotational velocity vector of the satellite,
A method for searching the sun of a three-axis stabilizing satellite is solved by generating a rotational moment (rotational moment vector H 1 ) which is not parallel to the direction of the measurement axis by a Philawheel device to be additionally used.
【0006】更に、上記の課題は、この発明により、衛
星に固定された三軸直交座標系の予め選択された面内の
視界が一つの区間または隙間で互いに分離された複数の
区間を覆う太陽センサ装置と、測定軸を任意の方向(|
G|=1である方向ベクトルG)に向ける単軸で測定す
る回転速度ジャイロと、三軸全ての周りに回転モーメン
トを発生する回転モーメント発生装置と、回転速度ジャ
イロの測定信号に基づき回転モーメント発生装置の調節
信号を出力する調節装置とを備えた三軸安定化衛星にあ
って、三つの座標軸全ての周りの回転モーメント成分を
発生するフライホィール装置が更に設けてあることによ
って解決されている。Further, according to the present invention, the above-mentioned problem is that the field of view in a preselected plane of the three-axis orthogonal coordinate system fixed to the satellite covers one section or a plurality of sections separated from each other by a gap. Set the sensor device and measurement axis in any direction (|
Rotation speed gyro that measures with a single axis directed to the direction vector G 1) where G | = 1, rotation moment generator that generates rotation moments around all three axes, and rotation moment generation based on the measurement signal of the rotation speed gyro A three-axis stabilizing satellite with an adjusting device for outputting the adjusting signal of the device is solved by further providing a flywheel device for generating a rotational moment component around all three coordinate axes.
【0007】この発明による他の有利な構成は特許請求
の範囲の従属請求項に記載されている。Other advantageous configurations according to the invention are described in the dependent claims.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】従って、更にフライホィール装置
が使用される。この装置の助けにより回転パルスが発生
する。このパルスの付属回転ベクトルHは回転速度ジャ
イロの測定軸の方向に平行に向いていない。この場合、
(既に WO 93/04923 A1 号明細書により周知のように)
回転速度ジャイロの測定軸に平行に向いた回転速度成分
を零にする一定の制御規則を使用することが前提にされ
ている。付加的な回転パルスを発生させると、制御過程
にあって回転パルス軸の周りの衛星の回転がただ高々残
ることになる。この回転は、非常に多くの場合、太陽が
最終的に太陽センサ装置の視界の中にあることで十分で
ある。Accordingly, a flywheel device is also used. Rotational pulses are generated with the aid of this device. The accessory rotation vector H of this pulse is not oriented parallel to the direction of the measurement axis of the rotation speed gyro. in this case,
(As already known from WO 93/04923 A1 specification)
It is assumed that a constant control rule is used that nulls the rotational speed component oriented parallel to the measuring axis of the rotational speed gyro. Generating an additional rotation pulse will only leave at most satellite rotation about the rotation pulse axis in the control process. This rotation is very often enough that the sun is finally in the field of view of the sun sensor device.
【0009】従属請求項2〜8には、この発明による方
法の二つの実施態様の有利な構成を示す。これ等の実施
態様は、一方で太陽センサ装置の視界が予め選択された
面内で少なくともπの角度を隙間なしに覆う場合に係わ
り、他方で視界が隙間で中断した部分区域を有し、小さ
い方の部分区分が角度πを覆う場合に係わる。請求項9
には、この発明による方法を成功裡に行えるために必要
な三軸安定化衛星の構成が規定されている。この衛星
は、その太陽センサ装置と単軸で測定する回転速度ジャ
イロの測定軸の向きに関して、冒頭に述べた制限を有し
ていない、つまり、太陽センサ装置の全周視界が予め選
択された面内になく、回転速度ジャイロの唯一の測定軸
を任意の向きにできる。重要な構成は、3つの座標軸全
ての周りの回転モーメント成分を発生できるフライホィ
ール装置が付加する点にある。太陽センサの視界が強く
制限されている場合、回転速度を測定するため単軸で測
定されるただ一つの回転速度ジャイロを有するこの種の
衛星は今まで企画されていない。何故なら、三軸で測定
され、特に冗長性のある設計では、それに応じて高価で
故障し易い回転速度ジャイロが存在する場合、未知の初
期姿勢から必要となる太陽探索の絶えず生じるか、ある
いは計算に入れるべき問題が今までただ克服できたから
である。ここで、初めて、太陽探索の重要な作戦に関し
て単軸で測定する回転速度ジャイロで間に合う衛星が紹
介され、この作戦が既存のフライホィール装置を用いて
可能になる。The dependent claims 2 to 8 show advantageous configurations of two embodiments of the method according to the invention. These embodiments relate on the one hand to the case where the field of view of the sun sensor device covers at least an angle of π in a preselected plane without a gap, and on the other hand the field of view has a partial area interrupted by a gap, which is small. This is relevant when the other subsection covers the angle π. Claim 9
Defines the configuration of a three-axis stabilizing satellite necessary for the successful implementation of the method according to the invention. This satellite does not have the restrictions mentioned at the beginning with respect to the orientation of the sun sensor device and the measuring axis of the rotational speed gyro that measures in a single axis, i.e. the entire field of view of the sun sensor device is a preselected plane. The only measuring axis of the rotational speed gyro that is not inside can be oriented arbitrarily. An important feature is the addition of a flywheel device that can generate rotational moment components around all three coordinate axes. When the field of view of the sun sensor is strongly restricted, no satellite of this kind has ever been designed with a single rotational speed gyro that is measured in a single axis to measure the rotational speed. Because it is measured in three axes, and especially in the case of redundant designs, if there is a correspondingly expensive and prone to failure speed gyro, the required initial sun search or constant calculation of the required sun search will occur. This is because the problems that should be put into can only be overcome so far. Here, for the first time, a satellite in time with a single-axis rotational speed gyro for an important operation of the sun search is introduced, making this operation possible using existing flywheel equipment.
【0010】従属請求項10〜12には、フライホィー
ル装置の構成に関してこの衛星の他の有利な構成が開示
されている。Dependent claims 10 to 12 disclose other advantageous configurations of this satellite with respect to the configuration of the flywheel arrangement.
【0011】[0011]
【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づき
より詳しく説明する。図1には、WO 93/04923 号明細書
により周知である太陽センサ装置の必要な視界の位置と
広がり、および衛星に固定された座標系XYZ内の単軸
で測定されるジャイロの測定軸の許される向き(方向ベ
クトルG)が示してある。この太陽センサ装置はXZ平
面内に全周視界(0 ≦α1 ≦ 2π)を、またこの方向に
垂直に二つの方向の視界が±α2maxに制限されているの
で、正と負のY軸周りに太陽センサ装置が捕捉しない二
重円錐形状の領域が存在する。回転速度ジャイロの方向
ベクトルGに対して、ハッチングを付けた領域のみが許
される。これ等の領域は下記の要請により決まる。つま
り、 |β|≧ (π/2) −α2max (1c) ここで、βはXZ平面と方向ベクトルGの間の角度であ
る。しかし、この要請は必ずしも維持されない。つま
り、他の作戦硬度により決まる要請により維持されな
い。この場合、WO 93/04923 号明細書に提示した太陽探
索方法ももはや使用できない。Embodiments of the present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows the required field of view and extent of the sun sensor device, which is known from WO 93/04923, and of the measuring axis of a gyro measured in a single axis in a coordinate system XYZ fixed to the satellite. The allowed orientations (direction vector G 1 ) are shown. This sun sensor device has a full field of view (0 ≤ α 1 ≤ 2π) in the XZ plane, and a field of view in two directions perpendicular to this direction is limited to ± α 2 max , so the positive and negative Y-axis There is a double cone shaped area around which the sun sensor device does not capture. Only the hatched area is allowed for the direction vector G of the rotation speed gyro. These areas are determined by the following requirements. That is, | β | ≧ (π / 2) −α 2max (1c) where β is the angle between the XZ plane and the direction vector G. However, this requirement is not always sustained. In other words, it is not maintained due to the demands determined by other operational hardness. In this case, the solar search method presented in WO 93/04923 can no longer be used.
【0012】このことは、正常な機能の場合に全周視界
の一部、例えば 1/3を覆う個々の太陽センサが故障して
いる場合、あるいはコストの理由から全周視界に対して
十分な数の個別太陽センサが省く必要がある場合、同じ
ように当てはまる。上記の条件を乱す配置は、例えば衛
星に固定した座標系の大体XZ平面内の太陽センサの視
界がπより大きい角度を覆い、単軸で測定する回転速度
ジャイロの方向ベクトルGも同じようにXZ平面内にあ
り、特にこの視界の中心にある場合である。この種の配
置を図2に示す。この図2ではXZ平面内の視界がハッ
チングを付けて示してあり、回転速度ジャイロの測定軸
の方向ベクトルGの周りに中心決めされている。特に、
方向ベクトルGがX軸にも一致する。視界は少なくとも
二つのベクトル±eR を有する。これ等のベクトルは、[0012] This is sufficient for full field of view in the case of normal functioning if some of the full field of view, for example the individual sun sensors covering 1/3, have failed, or for cost reasons. The same applies if a number of individual sun sensors need to be omitted. The arrangement that disturbs the above conditions covers, for example, an angle in which the field of view of the sun sensor in the XZ plane of the coordinate system fixed to the satellite is larger than π, and the direction vector G of the rotation speed gyro measured by a single axis is also XZ. In the plane, especially in the center of this field of view. This type of arrangement is shown in FIG. The field of view in the XZ plane is shown hatched in FIG. 2 and is centered around the direction vector G of the measuring axis of the rotational speed gyro. In particular,
The direction vector G also matches the X axis. The field of view has at least two vectors ± e R. These vectors are
【0013】[0013]
【外2】 [Outside 2]
【0014】で定義されるもので、e Y はY軸の方向の
単位ベクトルである。当然、このように定義された太陽
センサ装置の視界はXZ平面に垂直にも、例えば± 30
°の或る延びを有する。その場合、この値は縁部分で幾
分小さくなる。太陽センサの視界および回転速度ジャイ
ロの測定軸のこの種の特別な配置を有する三軸安定化さ
れた衛星は、通常のように姿勢制御のために、回転モー
メント発生装置を使用する。この装置は一般に3対の姿
勢制御ノズルで構成されていて、対の各々は座標軸の周
りに正と負の回転モーメントを発生する。姿勢制御ノズ
ルの代わりに、回転モーメントを発生する他の装置、例
えば外部磁界がある場合、電磁コイルの系が存在しても
よい。Is defined as follows, and e Y is a unit vector in the Y-axis direction. Naturally, the field of view of the sun sensor device thus defined is perpendicular to the XZ plane, for example ± 30
Has an extension of °. In that case, this value will be somewhat smaller at the edges. A three-axis stabilized satellite with this kind of special arrangement of the field of view of the sun sensor and the measuring axis of the rotational speed gyro normally uses a rotational moment generator for attitude control. The device generally consists of three pairs of attitude control nozzles, each of which produces positive and negative rotational moments about a coordinate axis. Instead of the attitude control nozzles, a system of electromagnetic coils may be present if there are other devices that generate rotational moments, for example an external magnetic field.
【0015】この発明によれば、3つの座標方向の全て
に回転モーメント成分を発生できる回転モーメント発生
装置が更に設けてある。この場合に大切なのはフライホ
ィール装置である。この装置は、最も簡単な場合、所望
の各方向に傾斜できるただ一つのフライホィールで構成
されているが、一般には少なくとも3つの個別フライホ
ィールを有し、これ等のフライホィールの回転軸は全て
一つの面内にあるのではない。これ等のフライホィール
の回転数と回転方向を適当に調節すると、所望の値と所
望の方向の合成回転モーメント(回転モーメントベクト
ルH)を発生させることができる。この種のフィライホ
ィール装置の好適実施例は図3に示してある。この図3
には、回転軸がそれぞれX軸とZ軸に一致する二つのリ
アクションホィールRWXとRWZ,および回転軸が負
のY軸とそれぞれ同じ角度θであるが符号が逆である角
度を成し、前記軸と同一面にある二つのスピンホィール
が示してある。対応する面は負のX軸とで角度ηを形成
する。これ等の角度に愛する典型的な数値は、 η= 45 ° θ= 10 ° である。According to the present invention, there is further provided a rotation moment generating device capable of generating a rotation moment component in all three coordinate directions. In this case, the important thing is the flywheel device. In the simplest case, this device consists of only one flywheel which can be tilted in each of the desired directions, but it generally has at least three individual flywheels, the rotary axes of which are all It's not in one plane. By appropriately adjusting the rotational speed and the rotational direction of these flywheels, it is possible to generate a combined rotational moment (rotational moment vector H 1 ) of a desired value and a desired direction. A preferred embodiment of this type of filly wheel device is shown in FIG. This figure 3
Include two reaction wheels RWX and RWZ whose rotation axes coincide with the X-axis and the Z-axis, respectively, and a rotation axis which forms the same angle θ as the negative Y-axis but with opposite signs. Two spin wheels are shown which are coplanar with the axis. The corresponding surface forms an angle η with the negative X axis. A typical value for these angles is η = 45 ° θ = 10 °.
【0016】フライホィールのこの種の配置は、座標軸
に無関係に以下のように定義できる。つまり、鋭角をな
す回転軸を有する二つのスピンホィール、および回転軸
に関して互いに直交するように配置された二つのリアク
ションホィールが存在し、二つの回転軸により張られる
両方の回転軸面は互いに直交し、二対のホィールにより
それぞれ張られる角度の二等分が二つの回転軸面に直交
する向きの面内にある。スピンホィールは、一般に一つ
の方向で大きな回転モーメントにし、大体それを維持す
るように設計されているが、リアクションホィールが二
つの回転方向に比較的小さな回転モーメントを発生す
る。図3のフライホィール装置は、回転モーメントベク
トルHを負のY軸の方向に与えるように設計すると好ま
しい。その場合、他の二つの座標方向のある種のずれは
簡単に調節できる。この装置は冗長性をもって設計され
ているので、4つのフライホィールのどれか一つが故障
しても、回転モーメントベクトルHをほぼ負のY軸方向
に、あるいは任意の他の方向にも発生させることができ
る。This type of arrangement of flywheels can be defined as follows, independent of the coordinate axes. That is, there are two spin wheels having an acute-angled rotation axis and two reaction wheels arranged so as to be orthogonal to each other with respect to the rotation axis, and both rotation axis planes stretched by the two rotation axes are orthogonal to each other. , The angle halved by each of the two pairs of wheels lies in the plane perpendicular to the two axes of rotation. Spin wheels are generally designed to provide and maintain a large rotational moment in one direction, but reaction wheels produce relatively small rotational moments in two rotational directions. The flywheel device of FIG. 3 is preferably designed to impart a rotational moment vector H in the direction of the negative Y axis. In that case, some kind of misalignment in the other two coordinate directions can be easily adjusted. This device is designed with redundancy so that even if any one of the four flywheels fails, the rotational moment vector H can be generated in the substantially negative Y-axis direction or in any other direction. You can
【0017】この種の太陽センサ装置を用いて太陽探索
を行うため、回転速度はそれが或る精度で既知の場合、
先ず周知の方法で制御して減衰させる。これは、例えば
搬送ロケットから衛星を切り離した後の場合である。こ
れには、上に述べた回転モーメント発生装置、つまり例
えば姿勢制御ノズルにより、回転速度ベクトルωに対し
て逆向きの回転モーメントτを与える。このモーメント
は以下の時間間隔Δt Δt =|Iω|/ |τ| (4) の間、作用する。この場合、Iは衛星の慣性テンソルで
ある。この過程の間、フライホィール装置のフライホィ
ールは止まっている。その後、一般に小さな未知の残留
回転速度ω R が残っている。これは以下のステップで低
減される。Since a sun search is performed using this type of sun sensor device, the rotation speed is known when it is known with a certain accuracy.
First, it is controlled and attenuated by a known method. This is the case, for example, after disconnecting the satellite from the carrier rocket. To this end, the rotational moment generator τ described above, that is, the attitude control nozzle, for example, gives a rotational moment τ in the opposite direction to the rotational speed vector ω . This moment acts during the following time interval Δt Δt = | Iω | / | τ | (4). In this case, I is the satellite inertia tensor. During this process, the flywheel of the flywheel device is stopped. After that, a small unknown residual rotational speed ω R generally remains. This is reduced in the following steps.
【0018】この点でこの発明が投入されるが、これは
既に説明した方法のステップなしでも使用できる。フラ
イィール装置を用いて一定の回転モーメントベクトルH
に調整し、これによって、先ずこのベクトルが回転速度
ジャイロの測定軸の方向ベクトルGに平行でないように
指向することがのみが要求される。既に説明したよう
に、もう一つの調整装置が必要であり、この装置は調整
モーメントを発生させるため、各衛星の姿勢制御装置内
に存在しているように、回転速度ジャイロの測定信号に
基づき回転モーメント発生装置の調整信号を出力する。
従って、系の等式が生じる。これは、オイラー項を無視
して、In this respect, the invention is introduced, but it can also be used without the method steps already described. Using the flywheel device, a constant rotational moment vector H
, Which in turn requires only that the vector be oriented so that it is not parallel to the direction vector G of the measuring axis of the rotational speed gyro. As already mentioned, another adjusting device is required, which produces an adjusting moment, so that it rotates on the basis of the rotational speed gyro measurement signal as if it were present in the attitude control device of each satellite. The adjustment signal of the moment generator is output.
Therefore, the system equations arise. This ignores the Euler term,
【0019】[0019]
【外3】 [Outside 3]
【0020】[0020]
【外4】 [Outside 4]
【0021】の右辺の第二項は WO 93/04923 A1 号明細
書により周知の制御則に相当する。この制御則は方向ベ
クトルGに平行な回転速度ベクトルωの成分を零に減衰
させる。回転モーメントベクトルHに依存する第一項
は、Hに対して垂直に向く回転速度成分を測定軸Gに結
び付けることによる。この場合、方向ベクトルGに垂直
で、回転モーメントベクトルHに垂直に向く回転速度ベ
クトルωの成分が常時回転エネルギを持ち去り、回転軸
に入力する。そこで、この成分は第二項により減衰を受
ける。これは、姿勢制御系を用いて、例えば調整モーメ
ントτを発生させる姿勢制御ノズルを使用して行われ
る。The second term on the right side of (1) corresponds to the control law known from WO 93/04923 A1. This control law attenuates the component of the rotation speed vector ω parallel to the direction vector G to zero. The first term, which depends on the rotational moment vector H , is due to the fact that the rotational speed component oriented perpendicular to H is linked to the measuring axis G. In this case, the component of the rotation speed vector ω that is perpendicular to the direction vector G and perpendicular to the rotation moment vector H always carries away the rotation energy and inputs it to the rotation shaft. Therefore, this component is attenuated by the second term. This is done using an attitude control system, for example using an attitude control nozzle that produces an adjustment moment τ .
【0022】方向ベクトルGに垂直に向いている回転速
度ベクトルωの成分を最適に減衰させるには、回転モー
メントHをGに垂直した時に達成される。その時、制御
過程の結果として、H周りのただ僅かな回転が残るが、
これは零にもできる。一般に、上記の系の等式は系行列
Aを用いて以下のようにも定式化できる。つまり、Optimal damping of the component of the rotational velocity vector ω that is perpendicular to the direction vector G is achieved when the rotational moment H is perpendicular to G. At that time, as a result of the control process, only a slight rotation around H remains,
This can be zero. In general, the above system equations can also be formulated using the system matrix A as That is,
【0023】[0023]
【外5】 [Outside 5]
【0024】である。ベクトルHとGの選択は、系行列
Aの固有値と減衰特性を決める。これ等のベクトルをG
とHが垂直に互いに重なる規則からずれるように選ぶ
と、3つの座標軸全ての周りの回転速度成分を零に調整
するが、強い振動性の過渡特性を伴う。これは通常望ま
しくない。実際上特に重要な場合は、図2にも示してあ
るように、GとHがXZ面内にあり、互いに垂直に向い
ていることにある。この配置により、方向軸Gと衛星に
固定された座標系のY軸に沿った回転速度成分が完全に
減衰するので、上に既に説明したように、回転モーメン
トベクトルHの周りの回転のみが残る。It is The selection of the vectors H and G determines the eigenvalues and damping characteristics of the system matrix A. Let these vectors be G
And H are chosen such that they deviate from the rule of vertically overlapping each other, adjusting the rotational velocity component around all three coordinate axes to zero, but with strong oscillatory transients. This is usually undesirable. A particularly important practical case is that G and H lie in the XZ plane and are oriented perpendicular to each other, as also shown in FIG. With this arrangement, the rotational velocity component along the direction axis G and the Y axis of the coordinate system fixed to the satellite is completely damped, so that only the rotation around the rotational moment vector H remains, as already explained above. .
【0025】回転モーメントベクトルHを図2に示すよ
うに向けると、つまり、全体で少なくとも角度πを覆
い、ベクトルHも入れる太陽センサ装置の視界の縁部分
にあると、Hの周りの衛星の残留回転は遅から早かれ太
陽の捕捉を与える。しかし、この残留速度が非常に小さ
いか零であると、もう一つの探査行動が始まる。この探
査行動は、回転モーメント発生装置、つまり例えば姿勢
制御ノズルを使用して、軸e R の周りの回転を作動さ
せ、この回転がXZで太陽センサ装置の視界内にある、
つまりこれがベクトルe R にも当てはまるように縁部分
に広くあることにある。好ましい軸としては、e R =H
に選ぶことができる。これは、消費を最適にする場合で
ある。必要な回転モーメントパルスの時間期間は残留速
度に基づき予測され、上記の制御則を使用して制御した
減衰により残る。When the rotational moment vector H is oriented as shown in FIG. 2, that is, at the edge of the field of view of the sun sensor device which covers at least the angle π as a whole and also contains the vector H , the residual satellites around H The rotation gives the capture of the sun sooner or later. However, when this residual velocity is very small or zero, another exploration action begins. This probing action activates a rotation about the axis e R , using a rotational moment generator, ie, an attitude control nozzle, which rotation is in the field of view of the sun sensor device at XZ,
In other words, this is wide in the edge part so that it also applies to the vector e R. As a preferred axis, e R = H
You can choose to. This is the case for optimal consumption. The time duration of the required rotational moment pulse is predicted based on the residual velocity and remains due to the damping controlled using the control law above.
【0026】XZ面内の太陽センサ装置の視界が一つま
たは隙間で互いに分離されたそれ以上の部分区間で構成
され、小さい部分区間が少なくともπの関連する角度範
囲を覆う場合には、この発明による方法ステップ、つま
り上記制御則を使用して制御された減衰を行い、他の最
終探査行動を使用する。これは、部分区間の方向と大き
さを考慮して、一つの回転軸の周りの衛星の回転、ある
いは多数の回転軸の周りの連続回転を指令し、その調整
は太陽が部分区間の一つに最終的に浸ることを確実にす
ることにある。この種の行動は、例えばドイツ特許第 2
7 49 868 C3 号明細書、あるいは文献 "The Attitude a
nd Orbit Control Subsystem of the TV-SAT/TDF1 Spac
ecraft" by H. Bittner et al., IFAC-Symposium on Au
tomaticControl in Space, 1982, pp. 83 - 102により
知られている。しかし、この方法では三軸で測定する回
転速度ジャイロあるいは等価な測定装置が前提となる。
この場合、単軸で測定するただ一つの回転速度ジャイロ
を使用する事実を計算に入れるためには、測定軸の方向
ベクトルGに垂直に向く回転速度ベクトルωの未知の成
分を予測するため、観測体を使用する。これは、例えば
図4に示す構造を有する。If the field of view of the sun sensor device in the XZ plane consists of one or more subsections separated from one another by a gap, the smaller subsections covering at least the relevant angular range of π Method step, ie, controlled damping using the control law above, and other final exploration behavior. It commands the rotation of the satellite around one axis of rotation, or the continuous rotation around multiple axes of rotation, with the adjustment of the The final step is to make sure to soak. This kind of behavior is described, for example, in German Patent No.
7 49 868 C3 specification or document "The Attitude a
nd Orbit Control Subsystem of the TV-SAT / TDF1 Spac
ecraft "by H. Bittner et al., IFAC-Symposium on Au
tomaticControl in Space, 1982, pp. 83-102. However, this method presupposes a rotational speed gyro that measures on three axes or an equivalent measuring device.
In this case, in order to take into account the fact that only a single rotational speed gyro is used, the unknown component of the rotational speed vector ω , which is oriented perpendicular to the direction vector G of the measuring axis, is predicted. Use the body. This has, for example, the structure shown in FIG.
【0027】実際の衛星の動特性は破線のボックスに示
してあり、式、The actual satellite dynamics are shown in the dashed box and the equation
【0028】[0028]
【外6】 [Outside 6]
【0029】となる。ここで、τは衛星に導入される調
整モーメントである。単軸で測定する回転速度ジャイロ
2により出力量yを測定する。この量は回転速度ジャイ
ロの測定軸の方向ベクトルGに垂直な回転速度成分に比
例する。つまり、 y〜G T ω (7) である。It becomes Where τ is the adjustment moment introduced into the satellite. The output amount y is measured by the rotation speed gyro 2 which is measured on a single axis. This amount is proportional to the rotation speed component perpendicular to the direction vector G of the measurement axis of the rotation speed gyro. In other words, it is y~ G T ω (7).
【0030】調整モーメントτに対応する信号や出力信
号yも、衛星の動特性を詳細に再現The signals corresponding to the adjustment moment τ and the output signal y also reproduce the dynamic characteristics of the satellite in detail.
【0031】[0031]
【外7】 [Outside 7]
【0032】よびその時間微分が形成される。量sは通
常ラプラス演算子または微分演算子を表す。更に、衛星
の慣性行列Iが使用される。観測体3は、図示する配置
では、ハードウェヤ的な結線あるいは衛星の機体内電算
機の純粋なアルゴリズムとして実現できる。加算個所6
で形成される差値は、選択的に増幅器7を通過し、この
中でl T = (11, 12, 13) のベクトル増幅係数lを使用
する。観測体で形成されAnd its time derivative is formed. The quantity s usually represents a Laplace operator or a differential operator. In addition, the satellite inertial matrix I is used. In the arrangement shown, the observation object 3 can be realized as a hard-wired connection or a pure algorithm of an in-vehicle computer of the satellite. Addition point 6
The difference value formed by means of selectively passes through the amplifier 7, in which the vector amplification factor 1 of l T = (1 1, 1 2, 1 3 ) is used. Formed by observing bodies
【0033】[0033]
【外8】 [Outside 8]
【0034】調整装置4に導入される。この調整装置は
以下の制御則、It is introduced into the adjusting device 4. This adjusting device has the following control law,
【0035】[0035]
【外9】 [Outside 9]
【0036】を実現するように、次の回転モーメント発
生装置5の調整信号を発生する。このIn order to realize the above, the following adjustment signal of the rotational moment generator 5 is generated. this
【0037】[0037]
【外10】 [Outside 10]
【0038】陽探索時に行われる回転速度に対するベク
トルである。このベクトルは、個々の太陽センサの視界
の大きさと向きを考慮して、太陽が最終的に確実に部分
区間の一つに浸るように決める必要があり、場合によっ
て、連続する多数のステップで絶えず変更する必要があ
る。この場合に注意すべきことは、この発明によるフラ
イホィール装置でこの最終的な探査行動の間にも回転モ
ーメントベクトルHを与えることができ、このベクトル
は観測体に付属する観測可能行列QB がランク3を有す
る点にある。この行列は周知のようにThis is a vector for the rotation speed performed at the time of explicit search. This vector must be determined by taking into account the size and orientation of the individual sun sensor's field of view to ensure that the sun will eventually immerse in one of the sub-intervals, and in some cases, constantly in multiple consecutive steps. Need to change. In this case, it should be noted that the flywheel device according to the present invention can also provide the rotational moment vector H during this final exploration motion, which vector is given by the observable matrix Q B attached to the observing body. It has a rank of 3. This matrix is well known
【0039】[0039]
【外11】 [Outside 11]
【0040】で与えられる。この行列の3つの列ベクト
ツが互いに線型独立であれば、観測性がある。これは回
転モーメントベクトルHを調節してHとGの間に 45 °
の角度が生じるように行われる。この場合、3つの運動
軸の全てが互いに結び付いている。この探査方法を利用
する前提条件は、衛星が制御された減衰の終了後に以下
の不等式、 |Iω|≪|H| (10) を満たす程度に小さいな回転速度で未だ回転しているこ
とにある。以下の運動方Is given by If the three column vectors of this matrix are linearly independent of each other, then there is observability. This adjusts the rotation moment vector H and 45 ° between H and G.
Angle is generated. In this case, all three axes of motion are tied together. The prerequisite for using this exploration method is that the satellite is still spinning at a rotational speed small enough to satisfy the following inequality | I ω | << | H | (10) after the end of controlled damping. is there. The following exercise methods
【0041】[0041]
【外12】 [Outside 12]
【0042】[0042]
【外13】 [Outside 13]
【0043】そして、上に述べた観測方程式が生じる。
しかし、上記の前提条件はこの発明により制御された減
衰を終えると必ず与えられる。衛星に球状の質量分布が
ある場Then, the observation equation described above occurs.
However, the above preconditions are always given after the controlled damping according to the invention. If the satellite has a spherical mass distribution
【0044】[0044]
【外14】 [Outside 14]
【0045】最後に、図5はこの発明による太陽探索に
対する探索戦略の個々の部分ステップを関連する図式に
して示したものである。Finally, FIG. 5 shows in a related diagram the individual substeps of the search strategy for the sun search according to the invention.
【0046】[0046]
【発明の効果】以上、説明したように、三軸安定化衛星
に対するこの発明の太陽探査方法により、太陽センサの
視界および回転速度ジャイロの測定軸の設定に関して上
に規定した制限を守ることできない場合でも機能し、太
陽センサ装置の視界が予め選択された面内で隙間を有
し、前記測定軸が視界に関して任意に方位にされる場合
でも、利用できる。As described above, when the solar exploration method of the present invention for a three-axis stabilizing satellite cannot observe the restrictions defined above regarding the setting of the field of view of the sun sensor and the measurement axis of the rotation speed gyro. However, it can be used even when the field of view of the sun sensor device has a gap in a preselected plane and the measuring axis is oriented arbitrarily with respect to the field of view.
【図1】 衛星の太陽センサ装置の視界の位置と広がり
および単軸で測定するジャイロの測定軸の許される配置
を示す図面、FIG. 1 is a drawing showing the position and extent of the field of view of the satellite sun sensor device and the allowable arrangement of the measurement axis of the gyro for single axis measurement
【図2】 太陽センサの視界が衛星に固定された座標系
のXZ面内にある場合の図面、FIG. 2 is a drawing when the field of view of the sun sensor is in the XZ plane of the coordinate system fixed to the satellite.
【図3】 フライホィール装置の配置図、FIG. 3 is a layout diagram of a flywheel device,
【図4】 観測体の制御方式を示すブロック回路図、FIG. 4 is a block circuit diagram showing a control system of an observation object,
【図5】 制御のフローチャート。FIG. 5 is a control flowchart.
1 衛星の動特性測定部 2 回転速度ジャイロ 3 観測体 4 調整装置 5 回転モーメント発生装置 6 加算個所 7 増幅器 RWX,RWZ リアクションホィール FMW1,FMW2 スピンホィールH 回転モーメントベクトルG 測定軸の方向ベクトル1 Satellite dynamics measurement unit 2 Rotational speed gyro 3 Observer 3 Adjustment device 5 Rotational moment generation device 6 Addition point 7 Amplifier RWX, RWZ Reaction wheel FMW1, FMW2 Spin wheel H Rotational moment vector G Direction vector of measurement axis
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // G05D 1/08 G05D 1/08 A (72)発明者 クリステイアン・ローヒエ ドイツ連邦共和国、80796 ミユンヘン、 クレメンスストラーセ、70 (72)発明者 ウアルター・フイヒター ドイツ連邦共和国、81827 ミユンヘン、 ケストレンストラーセ、20─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location // G05D 1/08 G05D 1/08 A (72) Inventor Christie Lohier, Federal Republic of Germany, 80796 Miyunchen, Clemensstraße, 70 (72) Inventor Walter Huichter, Federal Republic of Germany, 81827 Miyunchen, Kestrenstraße, 20
Claims (12)
標系の予め選択された面の一つの部分区間または隙間で
互いに分離されている複数の部分区間および前記面に垂
直な或る範囲を覆う太陽センサ装置と、任意な向きの測
定軸を有し、単軸で測定する回転速度ジャイロと、3つ
の座標軸全ての周りに回転モーメントを発生するためフ
ライホィール装置ではない回転モーメント発生装置と、
制御モーメント発生するため回転速度ジャイロの測定信
号に基づき回転モーメント発生装置の制御信号を出力す
る制御装置とを備え、以下の形の制御則、τ=−kGG
T ωを使用し、ここでτが制御モーメント、kが増幅係
数、Gが|G|=1の測定軸の方向ベクトル、G T がG
に対する転置ベクトル、ωが衛星の回転速度ベクトルで
ある、三軸安定化衛星の太陽探索方法において、付加的
に使用すべきフィライホィール装置により測定軸の方向
に平行でない回転モーメント(回転モーメントベクトル
H)を発生させることを特徴とする方法。1. An orthogonal triaxial seat whose field of view is fixed to the satellite.
In one subsection or gap of a preselected face of the standard
A plurality of subsections that are separated from each other and the surface
A sun sensor device that covers a certain straight range and a measurement in any direction.
Rotation speed gyro that has a fixed axis and measures with a single axis, and three
To generate rotational moments around all the coordinate axes of
A rotation moment generator that is not a rye wheel device,
A control signal is generated for the rotation speed gyro to generate a control moment.
Output the control signal of the rotation moment generator based on the
Control device of the following form,τ= -KGG
T ωUse hereτIs the control moment, k is the amplification factor
number,GIs |GThe direction vector of the measurement axis with | = 1,G TButG
The transpose vector for,ωIs the satellite rotation speed vector
An additional method in the sun search method of a three-axis stabilizing satellite
The direction of the measuring axis depends on the Philiwheel device that should be used for
Moment not parallel to (rotation moment vector
H) Is generated.
πの角度範囲を隙間なく覆っている太陽センサ装置を使
用し、回転モーメントHが測定軸の方向ベクトルGに対
して垂直に向いていることを特徴とする請求項1に記載
の方法。2. Using a sun sensor device whose field of view covers at least an angular range of π in a preselected plane with no space, the rotational moment H is oriented perpendicular to the direction vector G of the measuring axis. The method of claim 1, wherein:
出発して回転モーメントベクトルHや−Hも太陽センサ
装置の視界内にあるように回転モーメントベクトルHの
方位が調節されていることを特徴とする請求項2に記載
の方法。3. The orientation of the rotation moment vector H is adjusted so that the rotation moment vectors H and −H are also within the field of view of the sun sensor device starting from the coordinate origin of a coordinate system fixed to the satellite. The method of claim 2 characterized.
ルHの方向の周りに衛星の回転がないか、あるいは僅か
に残っている場合、ベクトルe R の周りの回転を指令
し、この回転は太陽センサ装置の視界内のベクトル−e
R と同じように予め選択された面内にあることを特徴と
する請求項3に記載の方法。4. If there is no or only a slight rotation of the satellite around the direction of the rotation moment vector H using the control law, command rotation around the vector e R , which rotation is the sun. Vector in the field of view of the sensor device- e
The method of claim 3, wherein the method is in a preselected plane similar to R.
Hと同一直線上にあることを特徴とする請求項4に記載
の方法。5. The vector e R is a rotational moment vector.
The method of claim 4, wherein the method is collinear with H.
πの角度範囲を隙間なく覆う部分区間を有していない太
陽センサ装置を使用し、行列 【外1】 がランク3を有するように回転モーメントベクトルHが
向いていることを特徴とする請求項1に記載の方法。6. A solar sensor device is used, wherein the preselected field of view does not have a partial section that covers at least the angular range of π without a gap, and a matrix The method of claim 1, wherein the rotational moment vector H is oriented such that has a rank of 3.
45 °の角度をなすことを特徴とする請求項6に記載の
方法。7. The rotational moment vector H is the same as the measuring axis G.
The method according to claim 6, wherein the angle is 45 °.
と大きさを計算に入れて、衛星を一つの回転軸の周りに
一回転させるか、あるいは複数の回転軸周りに順次回転
させることを指令し、この調整は太陽が最終的に部分区
間の一つの中に入ることを保証し、その際、測定軸に対
して垂直に向く回転速度ベクトルωの未知の成分を予測
するため、観測体が使用されることを特徴とする請求項
6または7に記載の方法。8. Taking into account the azimuth and size of a partial section of the field of view of the sun sensor device, the satellite may be rotated once around one axis of rotation, or sequentially rotated around a plurality of axes of rotation. Command to ensure that the sun will eventually enter one of the subintervals, in order to predict an unknown component of the rotational velocity vector ω that is oriented perpendicular to the measurement axis. 8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that
択された面内の視界が一つの区間または隙間で互いに分
離された複数の区間を覆う太陽センサ装置と、測定軸を
任意の方向(|G|=1である方向ベクトルG)に向け
る単軸で測定する回転速度ジャイロと、三軸全ての周り
に回転モーメントを発生する回転モーメント発生装置
と、回転速度ジャイロの測定信号に基づき回転モーメン
ト発生装置の調節信号を出力する調節装置とを備えた三
軸安定化衛星において、三つの座標軸全ての周りの回転
モーメント成分を発生するフライホィール装置が更に設
けてあることを特徴とする衛星。9. A sun sensor device that covers a single section or a plurality of sections separated from each other by a gap in a plane selected in advance in a three-axis orthogonal system fixed to a satellite, and an arbitrary measuring axis. direction and speed gyros for measuring a single axis oriented in (| | G = 1 direction vector G is a), the torque generating device that generates a rotational moment around three axes all, based on the measurement signal of the rotational speed gyro A three-axis stabilizing satellite equipped with an adjusting device for outputting an adjusting signal of a rotating moment generating device, further comprising a flywheel device for generating a rotating moment component around all three coordinate axes. .
内に全ての回転軸を持たない少なくとも3つのフライホ
ィールを有することを特徴とする請求項9に記載の衛
星。10. The satellite according to claim 9, wherein the flywheel device has at least three flywheels which do not have all rotation axes in one plane as a whole.
ンホィールと少なくとも一つのスピンホィールがあるこ
とを特徴とする請求項10に記載の衛星。11. Satellite according to claim 10, characterized in that there are at least one reaction wheel and at least one spin wheel each.
ンホィールとこの回転軸に関して互いに直交するように
配置された二つのリアクションホィールがあり、それぞ
れ二つの回転軸で張られる両方の回転軸面は直交し、二
対のホィールで張られる角度の二等分が両方の回転軸面
に直交する向きの面内にあることを特徴とする請求項1
1に記載の衛星。12. There are two spin wheels each having an acute-angled rotation axis and two reaction wheels arranged so as to be orthogonal to each other with respect to the rotation axis, and both rotation axis surfaces stretched by the two rotation axes. Are orthogonal and the bisector of the angle spanned by the two pairs of wheels lies in a plane oriented orthogonal to both planes of rotation.
The satellite according to 1.
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